Heike Schmuths

Genetische Variabilität und phänotypische Plastizität der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. (Brassicaceae)

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor agriculturarum (Dr. agr.) vorgelegt an der Landwirtschaftlichen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 29.10.2004

Abstract
Arabidopsis thaliana ist eine bedeutende Modellpflanze für verschiedenste biologische Fragestellungen. Die Kenntnis der natürlichen Variabilität von A. thaliana ist neben der durch künstliche Mutation entstanden Variabilität sehr wichtig.
Die Untersuchung von genomweit größtenteils gleichmäßig verteilten Einzelbasenunter-schieden (single nucleotide polymorphisms, SNPs) an einer repräsentativen Stichprobe zeigte eine Assoziation zur Ost-West Verteilung der alternativen Ausprägungsformen weniger SNPs.
Es konnten durch Sequenzvergleiche zwei Consensushaplotypen aus dem Datensatz gebildet werden, die zu jeweils gleicher Frequenz vorkommen und charakteristisch für eine asiatische und eine südwest-europäische Ausgangspopulation sind. Die zwei Gruppen konnten in einer weiteren genomweiten SNP-Analyse innerhalb des Gesamtgenoms wiedergefunden werden. In diesem Zusammenhang wurde auch die Populationsstruktur von A. thaliana untersucht.
Die morphologischen und phänologischen Untersuchungen der Akzessionen zeigten eine große Schwankungsbreite der erfassten Merkmale bei zwei Temperaturen (14C und 22C). Eine Korrelation zwischen der Länge der phänologischen Phasen und der Temperatur des Herkunftsortes der Akzessionen wurde gefunden.
Durchflußzytometrische Untersuchungen resultierten in signifikanten Genomgrößen-unterschieden zwischen den untersuchten Akzessionen mit schwachen Korrelationen zu Längen- und Breitengraden der Herkunftsorte. Es wurden zwei natürlich vorkommende tetraploide Akzessionen gefunden.
Die vorliegende Arbeit erfasst erstmals die Variation innerhalb von A. thaliana an einer repräsentativen Stichprobe von Akzessionen des gesamten natürlichen Areals.

Arabidopsis thaliana is an important model plant for several biological problems. Besides the useful variability from induced mutations, knowledge of natural variability of A. thaliana provides different information with a great relevance for the plants in nature.
The investigation of genome wide single nucleotide polymorphisms (SNPs) mostly equally spread in the genome using a representative set of accessions showed an east-west association of the alternative alleles of some SNPs.
Based on sequence alignments two consensus haplotypes could be defined, which are characteristic for either an "Asian" and a "European" population. Each investigated accession could be assigned to either one of the consensus haplotypes or as a recombination product of the groups. The population structure of A. thaliana were also investigated in this context.
Morphological and phenological studies of accessions showed broad limits of variation of the scored features in the two different temperature regimes (14C and 22C). A weak correlation to summer and winter warm areas were found.
Flow cytometry revealed significant intraspecific differences in genome sizes between the investigated diploid accessions. Weak correlations of genome size with latitude and longitude were found. Two naturally occurring tetraploid accessions were found.
This work demonstrates for the first time the intraspecific genetic variation of A. thaliana in a sample that is representative for the entire natural Eurasian range of the species.

Keywords:
Arabidopsis thaliana, natürliche Variation, Asien, Europa, Gruppe, tetraploid, Biogeographie, Plastizität

Arabidopsis thaliana, natural variation, Asia, Europe, group, tetraploid, biogeography, plasticity

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Inhaltsverzeichnis
Titelblatt, Inhaltsverzeichnis
1. Zusammenfassung / Summary (2-5)
2. Problemstellung: genetische Variabilität und phänotypische Plastizität (6-12)
3. Arabidopsis thaliana als Modell fr Variabilität und Plastizität (13-88)
4. Schlussfolgerungen (89-94)
5. Ausblick (95-96)
6. Referenzen (97-101)
7. Literatur (102-112)
8. Verzeichnis der Abkürzungen und Fachtermini (113)
9. Anhang - Supplementary Data (114-117)